苯甲苯二元混合物连续精馏装置的设计课程设计

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1、广州大学生命科学学院化工原理课程设计（苯-甲苯二元混合物连续精馏装置的设计）l 一 设计概述3（一）课程设计的目的3（二）课程设计的内容3（三）精馏操作对塔设备的要求3（四）板式塔的类型3l 二 塔的设计和流程工艺的设计4（一）塔类型的确定4（二）工艺流程的设计4l 三 设计方案中参数的确定5（一）确定操作压力5（二）确定进料状态5（三）确定加热方式5（四）确定冷却方式5（五）热能的利用6l 四 塔的工艺计算6（一）精馏塔的物料衡算7（二）塔板数的确定8l 五、塔的工艺条件及有关物性数据计算14（一）. 操作压强14（二）. 操作温度14（三）. 平均分子量15（四）. 平均密度15（五）.

2、液体表面张力16（六）. 液体粘度17l 六、精馏塔的塔体工艺尺寸计算18（一）. 塔径的计算18（二）. 溢流装置20（三）. 塔板布置21（四）. 筛孔数与开孔率21（五）.塔的精馏段有效高度22l 七、筛板流体力学验算23（一）. 气体通过筛板压降相当的液柱高度23（二）. 雾沫夹带量的验算24（三）. 漏液的验算24（四）. 液泛验算25l 八、塔板负荷性能图26(一)精馏段26（二）提馏段29l 九、板式塔的结构与附属设备设计33（一）塔体结构33（二）塔板结构34l 十、 辅助设备设计或选型34（一）冷凝器34（二）再沸器35（三）接管管径的计算和选择35l 十一、设计结果一览表3

3、7l 参考文献40l 总结40一 设计概述（一）课程设计的目的1、根据设计任务，查阅资料，选用公式和搜集数据的能力；2、依据综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型；3、培养学生迅速准确进行工程计算的能力；4、培养学生用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。（二）课程设计的内容（1）设计方案的简介（2）主要设备的工艺设计计算（3）典型辅助设备的选型和计算（4）工艺流程简图（5）主体设备工艺条件图完整的化工原理课程设计报告由设计说明书和图纸两部分组成；（三）精馏操作对塔设备的要求 精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能

4、使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： () 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 () 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 () 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 () 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 (

5、) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 () 塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，同时，上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。（四）板式塔的类型 气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔。 板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、等多种。其中对主要的板式塔类型进行介绍：泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸收等单元操作使用的设备中曾占有主要的地位，泡罩塔具有以下优点：（1）.操

6、作弹性大（2）.无泄漏（3）.液气比范围大4）.不易堵塞泡罩他的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修方便以及气相压力降较大。 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。 浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点： () 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加2040，而接近于筛板塔。 () 操作弹性大，一般约为59，比

7、筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 () 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400660N/m2。 () 液面梯度小。 () 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。() 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的6080,为筛板塔的120130。二 塔的设计和流程工艺的设计（一）塔类型的确定本次化工课程设计要设计一个精馏分离甲醇和水的二元混合物的精馏塔，设计任务适合筛板塔的精馏。而筛板塔是在塔板上钻有均匀分布的筛孔，上升空气流经筛板塔分散，鼓泡通过板上液层，形成汽液密切接触的泡沫层。筛板塔具有以下优点：结构简单，制造维修方便，造

8、价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近于浮阀塔。（二）工艺流程的设计 根据设计任务进行下面的工艺流程设计：苯，甲苯混合物进原料预热装置加热到泡点后，送入精馏塔，。塔顶上升蒸汽经全凝器冷凝后，一部分作为回流，其余的产品有冷却器冷去后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽加热向再沸器供热，他地产品经冷却送至贮槽。流程图如下：三 设计方案中参数的确定本设计采用常压操作，在饱和液体状态下进料，间接蒸汽加热，以常温水作为冷却剂，在筛板塔上进行苯，甲苯二元混合物的连续精馏。（一）确定操作压力塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上

9、的合理性来综合考虑，一般有下列原则： 压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费用增加；压力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操作费用或设备费用增加。因此如果在常压下操作时，塔顶蒸气可以用普通冷却水进行冷却，一般不采用加压操作。操作压力大于1.6MPa才能使普通冷却水冷却塔顶蒸气时，应对低压、冷冻剂冷却和高压、冷却水冷却的方案进行比较后，确定适宜的操作方式。 考虑利用较高温度的蒸气冷凝热，或可利用较低品位的冷源使蒸气冷凝，且压力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加，可以使用加压操作。 真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体

10、积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。此处选择在常压下操作。（二）确定进料状态 料状态以进料热状态参数q表示，有五种进料状态； q1时，为低于泡点温度的冷液进料； q1时，为泡点下饱和液体； 1q0时，为介于泡点和露点间的气液混合物； q0时，为露点下的饱和蒸气； q0时，为高于露点的过热蒸气进料。进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。因而，确定在以饱和液体进料。

11、（三）确定加热方式蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器，以提供足够的热量；若待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，也可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。这样，可节省一些操作费用和设备费用。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。所以，本设计采用间接加热方式。（四）确定冷却方式 设备一般采用常温水作为冷却剂。这样，既经济，又取材方便。水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。因而，本设计以常温水作为冷却剂

12、。（五）热能的利用采用合适的回流比；使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。与此同时，合理利用精馏过程本身的热能也是节约的重要举措。蒸馏系统的合理设置，。采用中间再沸器和中间冷凝器的流程1，可以提高精馏塔的热力学效率。因为设置中间再沸器，可以利用温度比塔底低的热源，而中间冷凝器则可回收温度比塔顶高的热量。 综合上述，进行方案的设计，因参考一下原则：(1) 满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范

13、围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。 (2) 满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同

14、样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。在设计时，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑，力求总费用尽可能低一些。而且，应结合具体条件，选择最佳方案。 (3) 保证安全生产 例如酒精属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。四 塔的工艺计算已知参数：苯、甲苯混合液处理量，F13200kg/h；进料热状况:饱和液体进料即q=1；单板压降不大于。表1 苯和甲苯的物理性质项目分子式分子量M沸点（K）临界温度tC（）临界压强PC（kPa）苯A甲苯B 78.1192.13353.3110.6562.1318.576833.44107.7表2 常压下苯和甲苯的气液平衡数据温度液相中苯的摩尔分数x气相中苯的摩尔分数y110.56 0.00000 0.00000 108.79 0.03000 0.07110 107.61 0.05000 0.11200